PHC管樁地基處理對(duì)水閘抗震安全影響研究

張鴻偉

(中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

1 概述

目前很多學(xué)者對(duì)PHC管樁進(jìn)行了大量的研究，Yan Shao等采用ABAQUS有限元軟件研究了預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁的擠土效應(yīng)[1-2]。Zhijian Yang采用試驗(yàn)手段研究管樁在低周反復(fù)荷載作用下的破壞過(guò)程和破壞模式[3]。李光明[4-9]等對(duì)地震區(qū)和軟土區(qū)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的抗震性能進(jìn)行了研究。阮起楠[10]借鑒了國(guó)外有關(guān)規(guī)范，對(duì)管樁的抗震設(shè)計(jì)作了探討，認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁可用于抗震烈度7度以下的一般地區(qū)建筑工程。上述文獻(xiàn)主要針對(duì)PHC管樁本身特性及設(shè)計(jì)理論進(jìn)行研究，涉及樁與結(jié)構(gòu)聯(lián)合抗震的研究則相對(duì)較少[11-12]。隨著近年地震災(zāi)害頻發(fā)，結(jié)構(gòu)抗震及抗震性評(píng)價(jià)成為了研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文以某工程水閘為研究對(duì)象，基于樁基-結(jié)構(gòu)的耦合整體，對(duì)比分析PHC管樁地基處理和灌注樁地基處理對(duì)水閘結(jié)構(gòu)的影響，為PHC樁基礎(chǔ)的水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 PHC樁地基處理及其特征分析

某水閘工程，為浮筏式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共兩孔。閘室底板厚為1.5 m，上、下游設(shè)有齒墻。閘室地基為軟土地基，工程區(qū)地層自上而下為近代堆填的人工拋石、第四系淤泥類軟土、粉質(zhì)黏土和砂土，下覆巖層侏羅紀(jì)細(xì)粒黑云母花崗巖[13]。工程場(chǎng)地平坦，周邊環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單。據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)，工程區(qū)地震峰值加速度值為0.10g(相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度)。閘室底板坐落于淤泥質(zhì)層，由于承載力和沉降的要求，需要進(jìn)行地基處理。

2.1 PHC樁設(shè)計(jì)

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁又稱PHC樁。此樁型穿透能力強(qiáng)，可獲得較高承載力；樁身強(qiáng)度高，后期沉降變形小，有利于上層建筑物的穩(wěn)定；造價(jià)低，施工周期短，對(duì)于工期緊的工程優(yōu)勢(shì)明顯。其缺點(diǎn)主要是具有擠土效應(yīng)，對(duì)周圍建筑物有一定影響，要求邊樁中心到相鄰建筑物間距大。根據(jù)水閘閘室地基土層和上部結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算結(jié)果，基礎(chǔ)采用PHC管樁(外徑600 mm，壁厚130 mm)，砼強(qiáng)度等級(jí)為C80，水閘閘室順?biāo)鞣较虿贾?排，垂直水流方向布置13排，共布置104根樁。樁基采用中粗砂層為持力層，樁底進(jìn)入硬質(zhì)土層不宜少于1.5 d，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為36 m。

根據(jù)閘室基底應(yīng)力和樁位布置，當(dāng)不考慮負(fù)摩阻力時(shí)，完建工況豎向荷載最大，單樁平均豎向荷載為Nk=858.74 kN，單樁豎向承載力特征值為Ra=1694.58 kN?？紤]負(fù)摩阻力引起基樁的下拉荷載Qgn時(shí)，正向警戒水位工況時(shí)豎向荷載最大，單樁平均豎向荷載為Nk+Qgn=1 187.13 kN，單樁豎向承載力特征值為Ra=1 308.39 kN。正向設(shè)計(jì)擋潮工況時(shí)的水平荷載最大，單樁水平作用力H1=85.90 kN，單樁水平承載力特征值為Rha=72.30 kN(考慮了群樁效應(yīng)為Rh=86.77 kN)，滿足規(guī)范要求。

2.2 PHC樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)彈性模量

由PHC樁與軟基土層組成的PHC樁基礎(chǔ)，在空間上呈現(xiàn)周期性復(fù)合材料非均質(zhì)性。PHC樁基礎(chǔ)等效彈性模量是評(píng)價(jià)地基處理效果的一個(gè)重要指標(biāo)。大多數(shù)學(xué)者采用一般彈性力學(xué)問(wèn)題的均質(zhì)化理論進(jìn)行PHC樁基礎(chǔ)等效彈性模量的研究[14-15]，以樁及其影響區(qū)域內(nèi)的土體所構(gòu)成的非均質(zhì)復(fù)合體為對(duì)象，由細(xì)觀平衡方程求解得到細(xì)觀特征函數(shù)，再借助宏觀平衡方程求解彈性模量。其求解方法復(fù)雜，不適用于工程設(shè)計(jì)。

(1)

(2)

E并=fG×EG+fM×EM

(3)

式中：

EG和EM——土基相M和樁基相G所占的彈性模量；

fG和fM——分別為土基相M和樁基相G所占的體積比。

3 PHC樁地基處理對(duì)水閘抗震安全影響

以2.1節(jié)水閘為研究對(duì)象，該水閘閘墩、底板及交通橋采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，排架柱采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的PHC樁基礎(chǔ)方案見(jiàn)2.1節(jié)。為對(duì)比不同地基處理的效果，設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)為對(duì)比方案，其中鉆孔灌注樁初擬樁徑為Φ100 cm，樁身砼強(qiáng)度等級(jí)為C40，樁頂通過(guò)鋼筋與上部建筑底板銜接，樁底高程按打入持力層一定深度控制，樁長(zhǎng)40 m，排距為3.6 m×3.5 m，共布樁60根。

抗震安全分析采用數(shù)值模擬手段，取水閘閘室建立有限元模型，地基深度取1倍閘室凈寬。垂直水流的寬度選取1.5倍閘室長(zhǎng)度，順?biāo)鞣较蜻x取1.5倍閘室長(zhǎng)度。兩種方案均采用實(shí)體單元進(jìn)行分析，共有44 837個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)。進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，所有材料本構(gòu)模型均采用線彈性模型，結(jié)構(gòu)計(jì)算地基四周為法向約束，模型基底為全約束，上部閘室自由。

抗震分析采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行，總的地震作用效應(yīng)是由各階振型的地震作用效應(yīng)按平方和方根法組合得到，計(jì)算中提取水閘結(jié)構(gòu)的前五階模態(tài)振型。計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)

水閘在垂直水流方向的剛度較小[16]，故當(dāng)激勵(lì)在垂直水流方向易產(chǎn)較大的應(yīng)力。通過(guò)查閱資料亦發(fā)現(xiàn)水閘的最大應(yīng)力通常發(fā)生在激勵(lì)在垂直水流方向的時(shí)候，故本文選取激勵(lì)在垂直水流方向(Z)上進(jìn)行分析。水閘計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意

3.1 自振頻率分析

采用子空間迭代法計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振頻率，地基仍然為無(wú)質(zhì)量地基。振型組合采用振型組合方法，分析前五階振動(dòng)頻率，對(duì)不同地基處理方案的水閘自振頻率進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2所示)。

表2 自振頻率匯總 Hz

從表2中數(shù)據(jù)不難看出，經(jīng)地基處理，地基彈性模量增大，水閘的自振頻率增加，從而閘室結(jié)構(gòu)的自振周期將會(huì)減少，特征周期以及反應(yīng)譜值所在區(qū)間亦發(fā)生改變。

3.2 閘室結(jié)構(gòu)位移分析

選取閘室整體結(jié)構(gòu)的最大值和最小值以及閘室底板的最大值和最小值進(jìn)行分析，以此作為依據(jù)判斷閘室結(jié)構(gòu)在不同地基上的變形，PHC樁基礎(chǔ)作用下計(jì)算結(jié)果如圖2～圖6所示。閘室整體位移的最大值和最小值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示；閘室底板位移的最大值和最小值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4所示。

圖2 PHC樁基礎(chǔ)Z方向的第一階振型

圖3 PHC樁基礎(chǔ)Z方向的第二階振型

圖4 PHC樁基礎(chǔ)Z方向的第三階振型

圖5 PHC樁基礎(chǔ)Z方向的第四階振型

圖6 PHC樁基礎(chǔ)Z方向的第五階振型

表3 垂直水流方向地震引起水閘豎向(UY)位移匯總 mm

表4 垂直水流方向地震引起底板豎向(UY)位移匯總 mm

由上述可知，① 垂直水流方向發(fā)生地震時(shí)，除第五振型外，地基處理后上部結(jié)構(gòu)的最大位移均增大，上部閘室的最大位移主要發(fā)生在上游支架和下游交通橋處，這是由于經(jīng)地基處理后，地基剛化為整體，動(dòng)力響應(yīng)上傳到上部結(jié)構(gòu)。② 垂直水流方向發(fā)生地震時(shí)，地基處理后的底板和基礎(chǔ)的位移則減小，這是由于地基處理后底板因受地基約束增強(qiáng)。③ 相比鋼筋砼灌注樁基礎(chǔ)和原始地基，PHC樁基礎(chǔ)因其本身具有較好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，地基整體強(qiáng)度增加，動(dòng)力響應(yīng)效果較好。

3.3 閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

PHC管樁基礎(chǔ)作用下不同振型閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖7～圖8所示，其他類型地基應(yīng)力成果見(jiàn)表5所示。

a 第一階右邊墩應(yīng)力云圖

d 第一階底板應(yīng)力云圖

e 第一階上游支架應(yīng)力云圖

f 第一階下游交通橋應(yīng)力云圖圖7 第一階振型閘室各結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

a 第三階右邊墩應(yīng)力云圖

b 第三階左邊墩應(yīng)力云圖

c 第三階中墩應(yīng)力云圖

d 第三階底板應(yīng)力云圖

e 第三階上游支架的應(yīng)力云圖

f 第三階下游交通橋的應(yīng)力云圖圖8 第三階振型閘室各結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表5 閘室第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力匯總 MPa

由圖7～圖8可知，閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大處主要集中在上游支架和下游交通橋上；由表5可知，進(jìn)行地基處理后，當(dāng)發(fā)生垂直水流方向地震，閘室結(jié)構(gòu)所受到的拉應(yīng)力是增大的，壓應(yīng)力也是增大的。兩種不同的地基處理方式相比，二者對(duì)地震作用下水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響區(qū)別不大。

4 結(jié)論和建議

軟土地基上的水閘結(jié)構(gòu)因地基不滿足承載力或沉降要求通常采取PHC樁加固地基手段，本文采用數(shù)值模擬方法，將處理的地基視為復(fù)合材料，分別計(jì)算了PHC樁地基處理、灌注樁地基處理和未進(jìn)行地基處理三種方案下的水閘抗震性能，結(jié)論如下：

1)進(jìn)行地基處理后，閘室結(jié)構(gòu)的自振頻率會(huì)增加，反應(yīng)譜所在區(qū)間亦發(fā)生改變，相應(yīng)的閘室動(dòng)力分析計(jì)算出的應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減小。

2)進(jìn)行地基處理后，受垂直水流方向地震影響，底板的位移減小，但上部結(jié)構(gòu)位移增大，最大位移為排架柱和上游交通橋，水閘抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其安全問(wèn)題。

3)進(jìn)行地基處理后，閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，這是因地基約束增強(qiáng)所致，故在PHC樁加固地基水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在應(yīng)力集中處需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

4)從抗震作用來(lái)說(shuō)，PHC樁基礎(chǔ)和砼灌注樁基礎(chǔ)在水閘上部位移控制及閘室結(jié)構(gòu)主應(yīng)力控制方面作用相當(dāng)，但PHC管樁基礎(chǔ)對(duì)于閘室底板位移控制效果相對(duì)更明顯，該研究可為水閘地基處理設(shè)計(jì)提供參考。